科普ProofofSpace杜絕浪費，共識機制的“大殺器”區塊鏈
科普|ProofofSpace杜絕浪費，共識機制的“大殺器”
自2009年第一枚比特幣被挖出以來，區塊鏈行業逐漸拓展為一個巨大的全球市場。除BTC以外，LTC、ETH、EOS等各式各樣的區塊鏈項目層出不窮。目前，僅以太坊上的ERC20代幣項目，就超過11萬個；而發布項目白皮書的公司更是不可勝數。
POW（工作量證明）共識算法
比特幣實現了一種點對點的電子支付系統，而這一分布式系統的誕生，有賴于其采取的POW（工作量證明）共識算法。目前，絕大多數具備主鏈的區塊鏈項目，仍采用POW或改良后的POW共識算法，僅有一部分項目采用POS（權益證明）或DPOS（股權代理證明）等算法。
POW為分布式賬本帶來簡明、有效的共識產生機制，然而也產生一些問題：在計算哈希函數的過程中，大量能源被浪費——
有報道稱，2017年因比特幣挖礦而浪費的電量，超過了丹麥一個國家全年的耗電量。[1]此外，由于ASIC等芯片的產生，比特幣也面臨這越來越中心化的挑戰。比特幣的現狀與中本聰最早的設計已經相去甚遠。
而POS、DPOS機制同樣具有中心化的問題，而且投票過程往往較為繁瑣，兩者顯然并非最佳的解決方案。值得一提的是，市面上曾出現一些采用如“交易即挖礦”、“鎖倉即挖礦”、“投保即挖礦”、“挖礦即挖礦”等方案的區塊鏈項目。但本質上，這些項目所發行的還僅僅是以太坊上的ERC20代幣。由于不具備主鏈，這些項目均不需要共識機制；所謂的挖礦方案，本質上屬于空投方案，是一種激勵手段，與區塊鏈的核心技術無必然關聯。
真正要解決POW所衍生的浪費能源、中心化的問題，開發多樣化的挖礦方案，至少需要解決以下一系列技術問題：
（1） 如果不耗費工作量，以什么作為用戶付出代價的證明？
（2） 該種證明如何被校驗？
（3） 如何確定挖礦競賽的優勝者？
（4） 如果避免主鏈分叉等？
Proof of Space，空間證明
在技術進展的過程中，PoSpace方案作出了重要的探索。PoSpace即Proof of Space，空間證明。PoSpace意在取代比特幣中的PoW機制，成為一種新型的共識機制解決方案。
這一方案目前已在一些區塊鏈項目實施落地。它以用戶支付的硬盤空間作為付出代價的證明，通過下載文件占據硬盤空間，所占的空間越大，說明用戶付出越大。
PoSpace可帶來以下好處：極大減少資源浪費；用戶一次性付出硬盤空間后，后續挖礦不需額外增加付出等等。根據一些團隊的測算，PoSpace里的用戶行為可視作一種拓展性的博弈模型，隨著時間增長，會有越來越多的用戶加入進來。[1]
為應對硬盤空間造假的問題，PoSpace把節點分為兩種角色：證明人和校驗人。證明人即普通節點，需要存儲較大的信息數據（如100G），而校驗人存儲數據庫以及證明人的一小部分存儲信息，以便驗證。
當用戶/證明人初次加入網絡，他需要根據選擇的存儲空間大小，存儲一部分具有特定序列的數據（存儲的數據由用戶的公鑰決定，因此各用戶的數據并不相同）。這些數據以有向無環圖的結構存儲，而每個數據塊之間的關聯關系，以Merkle樹的形式發送給校驗人。
由此一來，校驗人可由公鑰知道證明人存儲的是哪些數據、由發送的Merkle樹知道這些數據以怎樣的結構存儲。
在驗證環節，校驗人向證明人發送一份“挑戰”。這份挑戰是證明人存儲數據塊的某種隨機組合。證明人需要根據挑戰信息，生成對應組合數據的hash值，返還給校驗人，由校驗人驗證該hash值是否正確。
由于挑戰是數據的一種隨機組合，而略微不同的數據都將使得hash值完全不同。因此證明人必須的確存儲了“挑戰”所指明的數據塊，才能生成正確的hash值。而校驗人由于存儲了完整的數據庫，他也可對證明人發回的hash值進行校驗。
證明人有可能僅存儲小部分數據，而仍然通過校驗人的挑戰（證明人所存儲的小部分數據，恰好囊括挑戰所包含的數據組合）。然而隨著“挑戰”的過程多次進行，證明人通過存儲少量數據而生成出正確反饋的概率大幅下降。
因此可通過多次驗證來避免證明人的作弊行為。這就是PoSpace里的空間確認過程。
“質量函數”的解決方案
而有了校驗用戶存儲空間的方法，仍需通過一些方式來確定挖礦競賽的獲勝者。比較合理的方式應是，存儲空間越大的礦工，越有可能在挖礦競賽中勝出。PoSpace則通過設計一個“質量函數”來實現這個目標。
“質量函數”需要保持一定的隨機性，而同時按照貢獻空間的大小來區分各個礦工獲勝的概率。因此一個簡化的做法是，應對校驗人的挑戰，礦工反饋的hash值（一串數字）直接作為隨機量，并根據礦工所占的空間對這串數字進行增減。譬如假若礦工存儲的空間總大小為N，則對hash值開N次平方，得到質量函數。這樣一來，礦工存儲的空間越大，質量函數的數值越小。我們可以規定單次挖礦競賽中，質量函數最小的礦工獲勝。
但此時仍存問題：
由于礦工在一次性付出硬盤空間后，在挖礦過程中不需有后續付出，因此參加挖礦競賽不需要付出代價，進行主鏈分叉幾乎沒有成本。為避免礦工隨意分叉造成雙花等混亂情形，我們仍需要一種規則來確定某鏈是唯一鏈，而所有用戶均只記錄這個唯一鏈，這才是真正達成共識。
由于每個區塊由具有最小“質量函數”的礦工挖出，一個自然的想法便是：由質量函數來確定唯一主鏈。我們設定一個數量i，規定從最新的區塊往前i個區塊的質量函數相加，得到鏈的總質量函數。總質量函數最小的那條鏈，可判定為主鏈，在此基礎上，為強調越早的區塊所占的比重越高，可增加一個折扣函數，對早期的區塊進行縮減（以提高其重要性）。
因此當主鏈出現分叉時，對兩條（或多條）分叉鏈的總質量函數進行計算，即可確定唯一鏈，由此保證僅有一條主鏈，從而使各用戶之間建立起一個分布式、同時又統一的賬本系統。
總結
PoSpace使用物理硬盤空間作為付出代價的證明，解決了比特幣里POW持續浪費大量資源的問題，同時可建立一個與比特幣作用相同的電子支付系統。
PoSpace可認為是共識機制在POW基礎上的一大進步。但與此同時，PoSpace仍存在一些問題：如引入了校驗人角色，增加了系統的風險；如何設計和安排校驗人，仍是一個問題；以硬盤空間為證明，存在著中心化的風險，因為少部分人可以通過巨大財力購置大量硬盤空間，持續壟斷挖礦，造成類“51%攻擊”等。中本聰“一枚CPU芯片代表一個個體，每個個體擁有平等挖礦機會”的構想，仍然難以實現。
但不得不說，PoSpace的思路為我們提供了許多啟發，如通過隨機的方式對用戶付出的代價進行校驗；通過設計區塊質量函數確定挖礦競賽的獲勝方式；通過設計鏈質量函數來避免主鏈分叉等。沿著這一思路，我們完全有可能開發出適應不同使用場景的共識機制，如“注意力證明”、“時間證明”等。
此外，PoSpace中硬盤所存儲的空間，若從無意義的字節，改為有意義的內容（如影片等資料），PoSpace或許天然地適用于建立網絡資源共享社區。相信在不遠的將來，空間證明共識機制將迎來更多發展和應用。
參考文獻：
[1]Park S, Pietrzak K, Alwen J, et al. Spacecoin: A cryptocurrency based on proofs of space[R]. IACR Cryptology ePrint Archive 2015, 2015.
[2] Dziembowski S, Faust S, Kolmogorov V, et al. Proofs of space[C]//Annual Cryptology Conference. Springer, Berlin, Heidelberg, 2015: 585-605.
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（作者：哈希未來|陳致佳、蒙繹澤、江澤武，內容來自鏈得得內容開放平臺“得得號”；本文僅代表作者觀點，不代表鏈得得官方立場）
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